梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度優(yōu)化方法

劉 陽

(新疆建通工程管理有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

洪水是一種由暴雨、急驟融雪、風(fēng)暴潮等自然原因造成的河流、湖泊的水量急劇上升或水位急劇上升，是一種重大自然災(zāi)害。我國是一個經(jīng)常發(fā)生洪水的國家，洪水每年都會給當(dāng)?shù)鼐用駧砭薮蟮呢敭a(chǎn)和生命損失。汛期是一年中由于季節(jié)性降雨、融冰、雪等原因造成的河流水位周期性地大幅上升，而流域內(nèi)降雨或融冰融雪都會導(dǎo)致河流水位明顯上升[1]。為了降低洪水災(zāi)害對人民生命、財產(chǎn)安全帶來的危害，有必要對區(qū)域內(nèi)的水資源進(jìn)行調(diào)度，該調(diào)度過程即為防洪調(diào)度。防洪調(diào)度就是利用防洪工程或水上建筑物等設(shè)施，對洪水進(jìn)行實時的規(guī)劃，以實現(xiàn)最大的防洪效益。

橡膠壩是由高強(qiáng)度合成纖維織物作為承壓結(jié)構(gòu)，經(jīng)內(nèi)外橡膠涂敷處理后制成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，以密封的方式將壩體填滿。橡膠壩是一種具有投資省、效益顯著的新型水利工程。橡膠壩頂部具有溢流功能，可按需調(diào)整壩高，發(fā)揮防洪、擋潮的作用。梯級橡膠壩群在汛期到來之前，使其合理垮塌，對整個工程及下游河道的安全具有十分重要的作用。而橡膠壩群的綜合調(diào)度優(yōu)化研究，也可以從某種程度上，拓展到傳統(tǒng)的水利工程綜合調(diào)度問題。

為了發(fā)揮梯級橡膠壩群在汛期防洪工作中的最大價值，以梯級橡膠壩群為控制與調(diào)度目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度方法，以期能夠降低汛期洪水災(zāi)害帶來的風(fēng)險程度，從而達(dá)到良好的防洪效果。

1 汛期防洪調(diào)度方法優(yōu)化設(shè)計

梯級橡膠壩群的防洪調(diào)度必要遵循一系列原則。第一，要避免與天然洪峰相疊。也就是說梯級橡膠壩群的塌壩調(diào)度應(yīng)在洪水來臨前進(jìn)行，崩壩下泄所產(chǎn)生的水流過程應(yīng)盡量偏離天然洪峰的主要部位，以防止人為增加天然洪峰的洪峰[2]。第二，遵循“峰小量大”原則。就是在潰壩泄洪時，要盡可能地減少下游河道的沖刷，以減少泄洪時的水流過程，使水流變成一個陡峭的水流過程，從而達(dá)到一個平穩(wěn)的流速。第三，限蓄原則。為保證水庫的安全，橡膠壩群中的各橡膠壩在汛期都會采用比平時更低的防洪標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以減少洪水發(fā)生時的蓄水量，從而減少防洪的危險。在上述調(diào)度原則的約束下，結(jié)合梯級橡膠壩群及其周邊水域環(huán)境的特征，制定汛期防洪調(diào)度方案。

1.1 確定梯級橡膠壩群組合形式

橡膠壩主要由土建部分、壩袋及錨固件、充排水設(shè)施及控制系統(tǒng)等部分組成，梯級橡膠壩群的基本組合形式見圖1。

圖1 梯級橡膠壩群組合形式示意圖

梯級橡膠壩群在實際建設(shè)過程中，需要根據(jù)實際的水流運(yùn)動進(jìn)行調(diào)整，并確定梯級橡膠壩群的分布數(shù)據(jù)。采用圣維南方程組的形式，構(gòu)建梯級橡膠壩群建設(shè)區(qū)域內(nèi)的水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動方程，公式如下：

(1)

式中：S、Hsection分別為過水?dāng)嗝婷娣e、水位；W、ψ分別為斷面和側(cè)向入流的流量；L為水流里程；κcorrect、κChezy為動量修正系數(shù)和謝才系數(shù)；r為水力半徑；g為重力加速度，取值為常數(shù)[3]。

在式(1)表示的水域環(huán)境下，充分考慮壩袋內(nèi)壓水頭、壩上游和下游水深的情況下，確定梯級橡膠壩群中單個橡膠壩的相對壩高。最終將單個橡膠壩按照梯級結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，完成梯級橡膠壩群組合形式的分析，并確定各橡膠壩之間的位置關(guān)系。

1.2 估算梯級橡膠壩群汛期水量

梯級橡膠壩群汛期水量的估算結(jié)果是啟動防洪調(diào)度的重要條件，收集研究區(qū)域的歷史降水信息，確定該地區(qū)的汛期起始時間和持續(xù)時長，在該時段內(nèi)假設(shè)區(qū)域降水分布滿足Copula函數(shù)，則區(qū)域內(nèi)的實際降水量可以表示為：

(2)

式中：f(x,y)為聯(lián)合概率密度函數(shù)；λ(u,v)、ρX(x)、ρY(y)分別為Copula概率密度函數(shù)、X和Y方向上的邊緣概率密度函數(shù)；Sregion為降水區(qū)域面積；Δτ為連續(xù)降水時長[4]。

式(2)的計算結(jié)果Q即為單位時間內(nèi)的總降水量，總降水量與該地區(qū)流域所有蓄水量的總和即為梯級橡膠壩群環(huán)境在汛期內(nèi)的總水量，標(biāo)記為Qall。在防洪調(diào)度過程中，判斷Qall與設(shè)置蓄水限值之間的大小關(guān)系。若Qall高于蓄水限值，則需立即啟動防洪調(diào)度程序，制定具體的防洪調(diào)度方案；否則，無需執(zhí)行調(diào)度程序進(jìn)入下一節(jié)點的判定循環(huán)。

1.3 計算單個橡膠壩汛期泄洪能力

根據(jù)大壩的過洪狀況，梯級橡膠壩的聯(lián)合塌壩模式可以分為兩種，即完全塌壩和半壩溢洪。完全塌壩泄洪就是在洪水到來前將橡膠壩塌平，可以最大限度地保護(hù)城市的安全，不會因為洪水的堆積而給城區(qū)帶來洪災(zāi)。而且在制定具體塌壩方案時，只需要保證不超出下游的過水能力即可[5]。而半壩溢洪則是將堤壩高度降到最低，但未達(dá)到完全塌壩，即當(dāng)橡膠壩在使用的時候，壩頂會有一個足夠的溢流深度，在洪水到來之后，考慮是否需要進(jìn)一步的塌壩，這樣做的好處是可以極大地保存城市的水資源，避免了城市補(bǔ)水困難的被動局面。根據(jù)梯級橡膠壩的不同塌壩形式，按照水利計算方法確定單個橡膠壩汛期泄洪能力，具體的計算原理見圖2。

圖2 單個橡膠壩泄洪能力計算原理圖

單個橡膠壩泄洪能力的計算結(jié)果可以量化為：

(3)

式中：κshrink、κflood、κflow分別為側(cè)收縮、淹沒和流量系數(shù)；u0為堰頂水頭；β為過流斷面的寬度。

其中，部分變量的計算公式如下：

(4)

式中：hdam、hupper、hwithin、hlower、hb分別為橡膠壩的橡膠壩高度、上游水深、壩袋內(nèi)壓水頭、下游水深和橡膠壩塌落壩高；υt為t時刻的水流速度；b為壩寬，Hweir為堰上水頭。

將式(4)的計算結(jié)果代入式(3)中，得出單個橡膠壩泄洪能力的計算結(jié)果[6]。然而在實際的防洪調(diào)度過程中，橡膠壩的泄洪能力會隨時間的變化逐漸減小，具體變化規(guī)律見圖3。

圖3 橡膠壩泄洪能力-時間關(guān)系曲線

在防洪方案的執(zhí)行過程中，需要考慮橡膠壩泄洪能力的變化，保證橡膠壩的防洪效果能夠達(dá)到預(yù)期效果。

1.4 優(yōu)化求解梯級橡膠壩群塌壩泄洪調(diào)度量

根據(jù)單一橡膠壩的塌壩泄流能力，將所有的橡膠壩聯(lián)合看作一個整體，并在同一時間內(nèi)對整個橡膠壩的潰壩和泄洪過程進(jìn)行了計算。對于梯級橡膠壩而言，在調(diào)度運(yùn)行中，為了確保兩側(cè)的安全，避免發(fā)生洪水的重疊，通常采取逆序垮壩，也就是由下游橡膠壩逆序垮壩泄流的方法。在此期間，只有當(dāng)橡膠壩的泄流達(dá)到下一個橡膠壩時，下游橡膠壩的泄洪流量才會被排除，即在上一個橡膠壩的泄流達(dá)到下一個橡膠壩之前，它就會徹底坍塌，并排出它的蓄水量。上級橡膠壩的泄洪會增加下游大壩的流量，但由于兩個橡膠大壩之間的間隔比較遠(yuǎn)，因此上游大壩的水位到達(dá)下一個大壩也需要一定的時間，不能將上游大壩的流量和下游大壩的流量疊加起來[7]。采用水量均衡方法，計算相鄰兩級橡膠壩之間的崩壩和泄洪過程，下一級橡膠壩的蓄水能力變化與下一級壩的排水量之差相當(dāng)。每隔一段時間，上一道橡膠壩就會進(jìn)行塌壩泄流，依次逐級塌壩泄流，直到梯級橡膠壩群中所有的橡膠壩完全塌壩。

結(jié)合上述理論，根據(jù)梯級橡膠壩群汛期水量的估算結(jié)果，通過計算汛期水量與區(qū)域需水量總和的差值，即可確定需要調(diào)度的洪水量。在考慮橡膠壩群內(nèi)梯級關(guān)系的情況下，求解需要塌壩的橡膠壩數(shù)量，計算公式如下：

(5)

式中：Cmax為區(qū)域需水量的最大值。

按照上述方式，確定汛期防洪調(diào)度中需要塌壩的橡膠壩數(shù)量。

1.5 實現(xiàn)梯級橡膠壩群汛期防洪優(yōu)化調(diào)度

以梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度時間最短為目標(biāo)，梯級橡膠壩群的汛期防洪調(diào)度主要就是控制弧形閘門的開合狀態(tài)。在實際的調(diào)度過程中，選擇Ndam數(shù)量的橡膠壩作為控制對象，將其閘門調(diào)整至開啟狀態(tài)，促使該橡膠壩發(fā)生塌壩；否則，控制閘門始終處于閉合狀態(tài)。在防洪調(diào)度期間，為確保河段的安全，各級橡膠壩的水庫容量不得超過本級的最大限值，所有級別橡膠壩的最大水位不得高于本級的最高限值，各級橡膠壩的最大泄流量不得超過河道的泄洪能力，同時排空庫容的總時間不得小于限制總時間[8]。在庫容、水位、時間和流量4個方面的約束條件作用下，完成梯級橡膠壩群汛期防洪優(yōu)化調(diào)度。

2 實測分析

以測試優(yōu)化設(shè)計的梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度方法為目的，以某建設(shè)梯級橡膠壩群的流域作為研究對象，采用對比實驗的方式設(shè)計實測分析實驗，選擇優(yōu)化前的汛期防洪調(diào)度方法作為實驗的對比方法。通過調(diào)度方法的運(yùn)行，測試該區(qū)域內(nèi)汛期的防洪效果，從而體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法的性能優(yōu)勢。

2.1 梯級橡膠壩群工程概況

此次實驗選擇黃河的某支流作為研究對象，該支流全長304 km，該支流可以分為上游、中游和下游3個部分，整個區(qū)域的總落差能達(dá)到324 m。梯級橡膠壩群建設(shè)在河流的中游位置上，梯級橡膠壩群的布置情況見圖4。

圖4 梯級橡膠壩群布置圖

研究流域中，布設(shè)的梯級橡膠壩設(shè)計蓄水水面長分別為1.25、2.11、2.46、3.65、2.11和2.46 m，橡膠壩段總長為556.0 m，壩袋高6.0 m。非連續(xù)相鄰橡膠壩間距為2.5 m，橡膠壩塌壩的泄水延續(xù)時間為2 500 s，橡膠壩塌落速度為3.25×104m/s，溢流斷面平均寬度和河道寬度分別為480.0和510.0 m，壩上蓄水庫容初始值控制為169 m3。

2.2 準(zhǔn)備汛期洪水?dāng)?shù)據(jù)

研究地區(qū)的降雨主要集中在汛期，主要發(fā)生在6-8月份，主要雨季為7月中下旬至8月上旬。研究區(qū)內(nèi)的洪水由暴雨形成，其水流特征與降雨性質(zhì)、流域地貌特點密切相關(guān)，由于地表和河道的坡度較陡，洪峰較高。洪澇過程多為多峰，但也有少數(shù)是單峰的，每次洪水持續(xù)時間通常為3～7 d。統(tǒng)計當(dāng)?shù)貧v史汛期的降水?dāng)?shù)據(jù)，得出汛期洪水?dāng)?shù)據(jù)的初始準(zhǔn)備情況，見圖5。

圖5 汛期降水量曲線

受到全球氣候環(huán)境的影響，每年汛期的降水量會存在細(xì)微差別，但總體走勢基本相同。

2.3 描述實測實驗過程

設(shè)置橡膠壩的河道安全流量660 m3/s，下游安全水位為140 m。將準(zhǔn)備的汛期降水?dāng)?shù)據(jù)直接代入梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度方法中，判斷當(dāng)前是否需要執(zhí)行調(diào)度程序并執(zhí)行調(diào)度方案，并確定調(diào)度方案的執(zhí)行時間。在對應(yīng)時間通過弧形閘門狀態(tài)的控制，驅(qū)動梯級橡膠壩群塌壩，實現(xiàn)汛期防洪調(diào)度任務(wù)。圖6為防洪調(diào)度方案的執(zhí)行情況。

圖6 梯級橡膠壩群汛期防洪優(yōu)化調(diào)度方案展示

按照上述方式，可以得出傳統(tǒng)梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度方法的執(zhí)行結(jié)果。

2.4 設(shè)置汛期防洪調(diào)度效果測試指標(biāo)

為了實現(xiàn)對梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度優(yōu)化方法防洪調(diào)度性能的量化測試，設(shè)置水位超限量和水流量超限量兩個指標(biāo)作為實驗的量化測試指標(biāo)，上述指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果可以表示為：

(6)

式中：σactual、σ0分別為下游實際水位和安全水位；γactual、γ0分別為實際水流量及下游河道水流量的安全值。

最終計算得出超限量的值越小，說明對應(yīng)梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度方法的防洪調(diào)度效果越優(yōu)。

2.5 實測結(jié)果分析

在整個汛期利用傳感器設(shè)備對研究區(qū)域內(nèi)的水位數(shù)據(jù)和水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得出反映汛期防洪調(diào)度方法防洪調(diào)度性能的測試結(jié)果，見圖7。

圖7 梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度性能對比結(jié)果

從圖7(a)中可以看出，在汛期防洪調(diào)度優(yōu)化方法作用下，下游水位在第1.5天已出現(xiàn)下降趨勢，水位的最大值為137 m。而應(yīng)用傳統(tǒng)的汛期防洪調(diào)度方法，下游水位在前3.5天均處于上升趨勢，水位最大值達(dá)到148 m。

圖7(b)中的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，兩種汛期防洪調(diào)度方法分別在第1.5天和第3.5天出現(xiàn)洪峰流量，洪峰流量值分別為652和714 m3/s。

將圖7中的數(shù)據(jù)代入式(6)中，計算得出傳統(tǒng)防洪調(diào)度方法的水位超限量和水流量超限量分別為8 m和54 m3/s，而防洪調(diào)度優(yōu)化方法的水位和水流量超限量分別為-3 m和-8 m3/s。由此證明，優(yōu)化設(shè)計的梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度優(yōu)化方法具有更好的防洪調(diào)度效果。

3 結(jié) 語

針對不同類型橡膠壩的不同特點，結(jié)合不同類型的橡膠壩，提出了一種基于梯級橡膠壩的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。通過梯級橡膠壩群坍塌，可以有效地調(diào)度洪水資源。通過實例計算，從實證分析結(jié)果中可以看出，采用最優(yōu)的洪水調(diào)度方法，不僅可以確保防洪的安全性，而且可以為區(qū)域水資源的調(diào)度方案優(yōu)選提供參考，其結(jié)果將有助于水庫的實時調(diào)度和綜合效益的提高。

然而此次實證分析選擇的研究區(qū)域缺乏一定的代表性，選擇的汛期降水?dāng)?shù)據(jù)也存在一定誤差，最終導(dǎo)致得出的結(jié)果存在局限性。針對這一問題，還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步補(bǔ)充，得出更多的實證分析數(shù)據(jù)，從而驗證梯級橡膠壩群汛期防洪調(diào)度優(yōu)化方法的可行性。